第四章 涡旋式制冷压缩机

CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity第四章

涡旋式制冷压缩机

ScrollRefrigerationCompressorCollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity第一节

工作原理、总体结构及特点第二节涡旋式压缩机的啮合原理与型线第三节结构第四节密封与防自转机构第五节热力过程第六节动力过程*第七节安全保护主要内容CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity第一节工作原理、总体结构及其特点一、工作原理二、总体结构三、特点四、发展趋势及研究现状CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity容积型（回转式）压缩机；由法国人发明，1905年在美国取得专利，1982年日本三电公司生产出汽车空调用涡旋式压缩机；目前较新型的制冷压缩机，广泛用于5~70kW功率范围。涡旋式压缩机简介CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity由动、静涡旋体、曲轴、机座、防自转机构组成；由动、静两个涡旋盘相错180o对置而成，它们在几条直线(在横截面上为几个点)上接触并形成一系列月牙形容积（基元容积）；动涡旋盘由一个偏心距很小的曲柄轴驱动（图4-15)，绕静涡旋盘平动，两者间的相对位置靠安装在动涡旋盘与固定部件间的十字滑环保证。结构组成一、工作原理CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity动、静涡旋体型线均为螺旋形，动涡旋体相对静涡旋体偏心并相差180°对置安装。它们轴向在几条直线上接触，在动静涡旋体间形成一系列月牙形空间，即基元容积。动涡旋体以静涡旋体中心为旋转中心作无自转回转平动，外圈月牙形空间不断向中心移动，基元容积不断缩小。基元容积CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity工作原理静涡旋体最外侧开有吸气孔，其顶部端面中心开有排气孔。制冷剂气体从吸气孔进入动、静涡旋体间最外圈的月牙形空间，随着动涡旋体的运动，气体被逐渐推向中心空间，其容积不断缩小,压力不断升高，直至与中心排气孔相通，高压气体被排出压缩机。吸气孔排气孔CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity低压气体从机壳顶部吸气管直接导入涡旋板四周，封在月牙形容积中，然后被压缩；高压气体由静涡旋体的中心排气孔进入排气腔，然后由排气管排出;十字滑环是上、下两面设置互相垂直的两对凸键的圆环，其作用是防止动涡旋体倾斜和自转。润滑系统：压差供油结构与工作过程CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity工作过程（图4-3）动涡旋体中心静涡旋体中心静涡旋体动涡旋体动涡旋体中心位于静涡旋体中心的右侧，涡旋外圈部分刚好封闭，此时最外圈两个月牙形空间充满气体，完成了吸气过程。CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity压缩腔排气孔随着曲轴转动，动涡旋体作回转平动，动静涡旋体保持良好啮合，外圈两个月牙形空间中的气体不断向中心推移，容积不断缩小，压力逐渐升高，进行压缩过程。工作过程CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity当两个月牙形空间汇合成一个中心腔室并与排气孔相通时，压缩过程结束，开始进入排气过程，直至中心腔室的空间消失，排气过程结束。工作过程排气孔CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity工作过程说明涡旋圈数为3圈，曲轴旋转3周(即曲轴转角1080°)，涡旋体外圈分别开启和闭合三次，完成3次吸气过程、1次压缩及排气过程。即每当最外圈形成两个封闭的月牙形空间并开始向中心推移成为内工作腔时，另一个新的吸气过程同时开始形成；不同的涡旋圈数，压缩过程的转角不同，涡旋圈数愈多转角愈大;吸气、压缩、排气等过程同时和相继在不同的月牙形空间中进行。外侧空间与吸气口相通，始终进行吸气过程，中心部位空间与排气孔相通，始终进行排气过程，中间月牙形空间一直进行压缩过程。CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity涡旋式压缩机的特点吸、排气连续进行，从吸气开始至排气结束需经动涡旋体多次回转平动才能完成,故转矩较均衡，气流脉动小，振动小，噪声低；各月牙形空间之间压差较小，故泄漏少；进排气分别在涡旋外侧和内侧，减轻了吸气加热；采用排气冷却电动机，减少了吸气过热度，提高了压缩机效率；由于机壳内为高压排出气体，排气压力脉动小，振动、噪声小；余隙容积中气体没有向吸气腔的膨胀过程，不需进气阀，容积效率高，可靠性高。CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity第二节涡旋式压缩机的啮合原理与型线1.渐开线和渐开线方程当一直线BK沿半径为rb的圆作纯滚动时，该直线上任一点K的轨迹就是该圆的渐开线。（1）渐开线的形成其中圆为基圆，直线为发生线，r为基圆半径发生线基圆基圆半径rBKCollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity圆的渐开线方程B发生线KO基圆渐开线Axyαβφ当一直线BK沿半径为rb的圆作纯滚动时，该直线上任一点K的轨迹就是该圆的渐开线。rα为渐开线初始角，β为渐开线展角，φ为渐开角。渐开线方程为：CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity2.涡旋的渐开线方程由于涡旋体有一定的壁厚，因此内外壁是有不同初始角+α和-α的渐开线构成：内壁：外壁：圆渐开线方程为：CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity基圆半径渐开线起始角涡旋体壁厚涡旋体节距涡旋体高压缩腔室对数涡旋圈数3.主要涡旋参数CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity目前仅有小型全封闭及开启式两种机型，采用氟利昂工质。主要用于汽车空调及家用及商用热泵型空调器中。第三节结构CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity1.立式全封闭型－机壳内低压1、吸气冷却：吸气后直接冷却电机。2、润滑系统：油泵供油。通过偏心油道和曲轴上的径向供油孔分配到润滑部位。3、底部设有挡油板：防止压缩机启动时油起泡油雾大量进入压缩室。4、机壳：低压机壳。CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity2.卧式全封闭型适用于高度受到限制的压缩机。采用高压机壳，排气用于冷却电机。采用摆线形转子油压泵供油装有两个排油抑制器，用以分离油雾。采用主、副轴承对主轴进行支撑。CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity3.CO2涡旋式压缩机设置了排气阀，防止高压气体回流造成效率降低。采用球形联接器防止动涡旋盘自转并承受动涡旋体上的轴向力。采用径向柔性机构调节两涡旋盘间的间隙，确保密封。结构更加紧凑。4.喷气增焓涡旋式压缩机为了解决空调器在寒冷地区冬季制热时制热量的不足、效率低下、排气温度过高等问题而开发出来的一种技术。典型的喷气增焓系统有两种类型：经济器系统和闪发器系统。喷气增焓，在排气温度不高的情况下，可以控制节流阀优化经济器的换热性能，获得最大换热量；在排气温度较高时，可以通过调节节流装置控制排气温度，保证可靠运行。CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity

效率高吸气、压缩、排气连续单向进行，直接吸气，因而吸入气体的有害过热小；没有余隙容积中气体的膨胀过程，容积效率高（高达95％以上）；两相邻压缩腔中的压差小，气体泄漏少；动涡旋体上所有接触线转动半径小，运动速度低，摩擦损失小；无吸气阀，也可不设置排气阀，气流的流动损失小；涡旋式压缩机的效率比往复式约高l0％。涡旋式压缩机特点CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity

力矩变化小，振动小，噪声低压缩过程较慢，可同时进行两三个压缩过程，机器运转平稳，且曲轴转动力矩变化小，其转矩为滚动转子式和往复式的1/10；气体基本连续流动，吸、排气压力脉动小，因此振动、噪声小。涡旋式压缩机特点CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity

结构简单，体积小，重量轻，可靠性高构成压缩室的零件数与滚动转子式及往复式之比为1:3:7，其体积比往复式小40％，重量轻15％；没有吸、排气阀，易损件少；有轴向、径向间隙可调的柔性机构，能避免液击，可靠性高；由于采用气体支承机构，故允许带液压缩，一旦压缩腔内压力过高，可使动盘与静盘端面脱离，压力立即得到释放。在高转速下运行可保持高效率和高可靠性，其最高转速可达13000r／min。

制造需高精度的加工设备、检验设备和精确的装配技术，制造成本高于其他类型的压缩机。

涡旋式压缩机特点CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity涡旋式压缩机的优点CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity优化结构，简化生产工艺，降低生产成本涡旋体型线研究，提高密封性能，减少磨损

双作用压缩机：采用双作用涡旋盘，动涡盘的两面有完全对称的型线，分别与两侧的静涡旋盘型线啮合。此结构两侧气体力完全平衡，可减少轴向磨损和气体泄漏。扩大应用范围（低温领域、新工质）计算机仿真优化设计采用新材料、新机构，减少机械摩擦损失、气体泄漏损失、传热损失和气流阻力损失，提高涡旋压缩机的工作效率和工作可靠性变容量调节新技术：数码涡旋压缩机发展趋势及研究现状CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity第四节密封与防自转机构CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity一、涡旋式压缩机的泄漏泄漏途径通过轴向间隙的径向泄漏通过径向间隙的周向泄漏轴泄漏长度径向泄漏：

涡旋线长度周向泄漏：

涡旋体高度CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity二、密封机构1、轴向密封装置（1）接触式密封

在涡旋体的端面开涡旋槽，内嵌密封元件。使涡旋体之间保持精密接触。材料可使用热压塑料或工程树脂条，也可使用层状耐磨金属。CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity（2）非接触式密封涡旋体端面开油沟。润滑油通过供油孔充满油沟和轴向间隙，形成油膜。不仅起到阻止动静涡旋体接触，也能起到密封的作用。该结构需要在动涡旋背面设置背压腔，依靠背压腔内的气体压力防止动静涡旋体脱离。油沟密封CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity（2）非接触式密封轴向柔性密封机构（与油沟密封联用）在动涡旋体背面装止推环，下部安有波形弹簧，使动涡旋体具有一定的预紧力，并保持一定的轴向间隙。可避免设置背压腔。2、径向密封机构（1）单圆曲柄轴径向密封机构依靠曲柄销与轴承间的轴承间隙控制动静涡旋体的接触情况。当曲柄销与轴承间的径向间隙较小时，动涡旋体的活动余地小，径向密封全部依靠动静涡旋体间的装配间隙保证，因动静涡旋体不接触，因此周向泄漏较大，但涡旋体间的摩擦小；当曲柄销与轴承间的径向间隙较大时，动涡旋体可在作用力下抵向静涡旋体，形成接触密封，阻止径向泄漏，但涡旋体间的摩擦大。因此，这种密封机构存在选择最佳曲柄销轴承间隙的问题，即最佳曲柄销轴承间隙可使动静涡旋体处于部分接触状态，保证泄漏和摩擦不致很大。CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity在结构中设置一个偏心轮，偏心轮通过其上的孔与主轴销相连，偏心轮的外缘又与动涡旋盘的轮毅连接。O1为主轴中心，O2为主轴销中心，O3为偏心轮与动涡旋盘质心，偏心轮在主轴销的驱动下绕O2点运动，并带动与之相连的动涡旋盘。在主轴最初转动的瞬间，动涡旋盘上作用有惯性力Fx、Fy，产生合力Fg，将动涡旋推向静涡旋的侧壁，实现气体的径向密封。（2）偏心轴套式径向密封CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity（3）滑动衬套机构

曲轴上端开有一长方形孔，中装有滑动衬套。衬套中心的轴承孔与动涡旋体的轴销配合。方孔内的弹簧将衬套向外压，以维持动静涡旋的径向接触。CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity三、防自转机构十字连接环球形联轴器圆柱销联轴器CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity1.十字连接环

底面一对滑块、机座上一对滑槽。十字联结环限制了动涡旋体只能相对静涡旋体作平动，而不能自转。

缺点：对十字滑块和十字滑槽的垂直度要求较高，并存在四对滑动摩擦副，摩擦力和磨损较大。CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity2.球形联轴器

由两块几何形状完全相同的孔板以一定的偏心距将钢球卡在一起组合而成。固定孔板固定在机座上，可动孔板固定在动涡旋上。孔板之间的间隙填充钢球。钢球可在孔板内转动。CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity3.圆柱销联轴器动涡旋体下部和机座上分别设置一系列对应的圆孔。圆柱销上端插入动涡旋体的下部圆孔，下端插入机座上对应圆孔。起到防自转功能。圆柱销最少3个，一般为6个,使机构运动得更平稳。CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity第五节热力过程一、基本几何关系与工作容积变化二、输气量三、内压缩四、排气孔口流速五、功率六、性能系数七、热力计算CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity将两个相同涡旋参数的涡旋体中的一个旋转180°，再平移回转半径R=0.5(P-2t)=r(-2)距离，使两涡旋体相互相切接触，可形成若干对月牙形空间，就是涡旋压缩机的压缩室容积。旋转180o平移一、基本几何关系与工作容积变化CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity图4-23两涡旋体构成的压缩室投影面积图4-23示出圈数为3.25时形成的三对月牙形面积,规定其构成的压缩室由最内向外排定序号为①②③室）CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity1.压缩室容积（4-8）

当两涡旋体构成的压缩室大于3个，则除中心压缩室以外，任一对压缩室容积的通用计算式为(P.115)中心压缩室容积为：（4-11）其中，A1为中心压缩室的投影面积。CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity当动涡旋体转角θ＝0°时，最外圈压缩室容积定义为吸气容积。若涡旋式压缩机有N对压缩腔，吸气容积计算式为：2.吸气容积（4-12）（即吸气容积按式（4-8）计算，式中的i=N,θ=0°）CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity

压缩室容积V是动涡旋体转角θ的函数θ=0°时第③室容积完全闭合；θ=2时第③室变为第②室，即V=V2(θ)=V3(θ=2)；当θ=θ*时第②室与第①室连通，开始排气，此时的排气容积V*=V1(θ*)+V2(θ*)，但V1(θ*)是第①室残留气体的容积，即涡旋式压缩机的余隙容积，它没有向吸气腔的膨胀过程，不影响压缩机的容积效率。3.压缩室容积随转角变化曲线（图4-28）V-θ曲线图4-28CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity

理论输气量qvt理论输气量为吸气容积与压缩机转速的乘积（m3/h）

qvt

＝60nVs＝60nP(P-2t)(2N-1)h

实际输气量qva

容积效率ηv

定义与往复式相同（4-13）（4-14）（4-15）二、输气量CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity无余隙容积中气体向吸气腔的膨胀过程，容积系数v＝1（即涡旋式压缩机的余隙对输气量无影响）；

无吸气阀，吸气为吞吸式，吸气压力损失小，压力系数p＝1；

中心室与吸气室通过中间压缩室隔开，余隙中的高温气体不会回流到吸气室加热吸入气体，加之转速高，因此温度系数λT

较高，近似有T

＝1；由于涡旋式压缩机各圈压缩空间的压力差不大，因此泄漏量较小且为内泄漏（泄漏量受轴向和径向间隙大小影响，尤其轴向间隙影响较大），在密封完善时泄漏更小；其容积效率在0.95以上，这是其它容积式压缩机不能与之相比的。涡旋式压缩机的容积效率CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity内泄漏

压缩机各压缩腔之间,压缩腔与背压腔之间的气体泄漏。表现为高压气体向低压腔泄漏,再从低压腔压力压缩到泄漏前压力,造成重复压缩消耗功率。内泄漏直接结果为增加功耗。外泄漏

压缩机在吸气过程中与外界(大于吸气压力的高压气体)进行气体交换。高压气体进入到吸气腔内膨胀,并占据空间,使得实际吸气量减少。外泄漏不仅使功耗增加,而且还减少吸入气体量,使排气量减少和制冷量降低。气体泄漏的种类CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity0-1吸气过程1-2吸气闭合阶段（敞开容积由大变小直至闭合）2-4压缩过程4-5残留气体混合5-6排气过程1.压力（容积）随转角的变化曲线三、内压缩压力-转角曲线（P-θ）容积-转角曲线（V-θ）图4-29CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity容积比：指吸气容积与任意转角下的各压缩室容积之比内容积比：指吸气容积与压缩终了时的容积之比无排气阀时的计算式：式（4-18）有排气阀时的计算式：式（4-19）2.容积比与内容积比（4-16）（4-17）CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity3.压力比与内压力比压力比越高则涡旋圈数越多，涡旋体加工越困难，通常单级压力比不超过8。压力比：任意转角时各压缩室气体压力与吸气压力之比内压力比：压缩终了压力与吸气压力之比（4-20）（4-21）（4-22）CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity4.排气开始角θ*排气开始角θ*是指转角时压缩机进入排气阶段。带有排气阀和不带排气阀时的θ*值不同。（4-23）CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity

设置排气阀由于工艺过程要求制冷压缩机适应变工况运转，但定容积比的涡旋压缩机不能适应变工况要求，因此需要设置排气阀，以防止变工况时产生过压缩或不足压缩造成的附加损失。有排气阀的排气角大小取决于冷凝压力（即排气压力）和气阀弹簧力，可根据已知的内容积比反算得出（4－19）。

内容积比的调节四、排气孔口的流速排气口位于静涡旋体中心，它的面积与渐开线起始角、涡旋体起始端线修正形状、旋体高度等有关。排气口流速应满足式中V：与排气孔口连通时压缩室的容积，v：排气孔流速。式中：曲轴的角速度，rad/sCollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity1.指示功的计算

由指示图（4-31）可见，由于，造成等容压缩过程或等容膨胀过程，产生附加损失。